Frühes Lernen durch Milben im Kontext des Nahrungserwerbs

Lernen, Verhaltensänderung durch Erfahrung, ist ein ubiquitäres Phänomen im Tierreich. Lernen beeinflusst alle wichtigen Lebensaktivitäten wie z.B. Nahrungserwerb, Reproduktion und soziale Interaktionen. Lernen wird generell als Prozeß der Verhaltensoptimierung betrachtet und erlaubt bestmöglich auf Veränderungen der Umweltbedingungen zu reagieren. Das vorgeschlagene Projekt befasst sich mit frühem Lernen, d.h. Lernen in den ganz frühen Lebensphasen, inkl. pränatal, bei, auf Pflanzen lebenden, Raubmilben im Kontext des Nahrungserwerbs. Diese Milben sind wichtige natürliche Gegenspieler von herbivoren Milben und Insekten, und werden weltweit in der Biologischen Schädlingskontrolle eingesetzt. Die prinzipiellen Projektsideen basieren auf eigenen kürzlich gewonnenen Kenntnissen über die Fähigkeit der Nahrungs- bzw. Beuteprägung der Raubmilben. Relativ kurze Erfahrung der Larven mit einer bestimmten Beute persistieren durch die Juvenilentwicklung (über drei Häutungsvorgänge) und führen zu gravierenden, lang anhaltenden Verhaltensänderungen bei den adulten Tieren. Das vorgeschlagene Projekt befasst sich mit drei separaten aber miteinander verwobenen Themenbereichen. Der erste Bereich behandelt die Fragen welche (assoziativen und nicht-assoziativen) Lernmechanismen die Milben früh im Leben nutzen, welche Signale gelernt werden und wie sich unterschiedliche Lernmechanismen auf den Nahrungserwerb der adulten Tiere auswirken. Im zweiten Bereich versuchen wir herauszufinden, welche ultimativen Nutzen und Kosten mit dem frühen Lernen verbunden sind. Wie wirkt sich frühes Lernen auf fitness- relevante Charakteristika aus? Gibt es Kosten von frühem Lernen und Beuteprägung hinsichtlich einer verminderten Flexibilität andere Beutetiere zu nutzen bzw. schlechterer Informationsverarbeitung später im Leben? Der dritte Bereich hat das Ziel die Folgen des frühen Lernens auf Populationsebene zu untersuchen. Wie wirken sich frühe Erfahrungen der Räuber mit einer bestimmten Beute auf ihre Fähigkeit die Population dieser und anderer Beutetiere zu beschränken aus? Letztere Fragen gehen von der Idee aus, dass spezifische - mit einer bestimmten Beute erfahrene - phänotypische Linien der Räuber kreiert werden können, die in der Biologischen Kontrolle effizienter sind als die herkömmlichen Linien. Im vorgeschlagenen Projekt werden primär manipulative experimentelle Studien auf Individual- und Populationsebene durchgeführt. Der räumliche Level der Experimente reicht von kleinen künstlichen Versuchszellen über einzelne Blätter bis zu ganzen Pflanzen und Pflanzengruppen. Der Hauptteil der Forschung wird von zwei DissertantInnen und einem MSc Studenten durchgeführt. Die Verbindung von umfassender Forschung über Lernmechanismen, sensitive Lebensphasen, Erinnerungsvermögen und den adaptiven Wert des Lernens, und die Auswirkungen des Lernens auf Populationsebene und die Biologische Kontrolle, machen das Projekt innovativ und originell. Die Ergebnisse des Projekts sollten über die Raubmilben hinausgehende Bedeutung haben und zur Steigerung des generellen Verständnis des frühen Lernens bei Arthropoden beitragen.

Dieses Projekt verfolgte drei Ziele. (i) Charakterisierung der frühen Lernfähigkeit von pflanzenbewohnenden Raubmilben beim Beuteerwerb; (ii) Eruieren des adaptiven Werts des frühen Lernens und der, durch physiologische und kognitive Limitierungen bedingten, Kosten- Nutzen Abwägung; (iii) Kaskadierende Effekte des frühen Lernens für Populationen und Lebensgemeinschaften und deren Bedeutung für die Biologische Kontrolle. Das Projekt hat alle Ziele erfolgreich erreicht. Ad (i) Raubmilben mit breitem Beutespektrum, wie Amblyseius swirskii und Neoseiulus californicus, haben im frühen Leben lernsensitive Zeitfenster. In dieser Zeit führen Beuteerfahrungen zu profunden und nachhaltigen Änderungen des Beuteerwerbs im späteren Leben. Räuber, die früh im Leben eine bestimmte Beuteart kennenlernen, speichern diese Erinnerung über zwei bis drei Häutungsphasen bis ins Erwachsenenalter. Erwachsene Räuber können vertraute Beute rascher erkennen und attackieren, und mehr Beute effizienter fressen. Sowohl nicht-assoziative als auch assoziative Lernprozesse sind wirksam. Die Lernfähigkeit der Nachkommen wird durch die Nahrung ihrer Mütter beeinflusst, wobei exklusiv pflanzliche mütterliche Ernährung zu degradierter Lernfähigkeit der Nachkommen führt. Ad (ii) Frühes Lernen erlaubt einen höheren Netto-Energiegewinn pro Beutetier, i.e. erhöht die Profitabilität der Beute. Dies steigert die Reproduktion Beute-erfahrener Räuber, einem adaptiven Nutzen des Lernens. Im Gegensatz dazu hat die erste Beuteerfahrung erwachsener Räuber lediglich physiologische, aber kaum kognitive, Effekte. Aufrechterhaltung der Lernfähigkeit und die Lernvorgänge selber sind energetisch aufwendig und binden Ressourcen, die ansonsten für andere physiologische und/oder kognitive Vorgänge und Lebensaktivitäten genutzt werden könnten. Physiologische Kosten des Lernens waren in längerer Entwicklungszeit Thrips-erfahrener Räuber erkennbar, offenbar aufgrund der energetisch aufwendigen Konsolidierung früherer Erfahrungen. Kognitive Kosten-Nutzen Abwägung war bei jungen lernenden Räubern, die ihre Aufmerksamkeit gleichzeitig mehreren Stimuli widmen sollten, erkennbar. Ad (iii) Frühe Lerneffekte wirken sich gravierend auf höhere Organisationslevel aus und begünstigen die Populationsdynamik beuteerfahrener Räuber auf Pflanzen mit vertrauter Beute. Durch Thrips-erfahrene Räuber gegründete Populationen waren effizienter in der Kontrolle herbivorer Thripse. Dies führte letztlich auch zu einer Steigerung der evolutionären Fitness der Pflanzen. Insgesamt erbringt dieses Projekt einen bedeutenden Wissensgewinn und Fortschritt in grundlegenden und angewandten Aspekten des frühen Lernens. Günstige experimentelle Zugänglichkeit und Manipulierbarkeit, und ein breites Verhaltensrepertoire, machen Raubmilben zu idealen Modellorganismen für verhaltensbiologische und -ökologische Fragestellungen. Ihre gut ausgeprägten Lernfähigkeiten sollten zu verbesserten Zucht- und Einsatzstrategien in der Biologischen Kontrolle führen. Die Projektresultate bilden das Fundament für zukünftige Untersuchungen der Relevanz früher Lebenserfahrungen für die Modellierung von Milbenpersönlichkeiten.